Orbitalės ir kvantiniai skaičiai


Elektronai atome užima orbitales (daugiau apie jas vėliau), kurias galime įsivaizduoti kaip energijos lygmenis.  Bet kuri viena orbitalė gali sutalpinti du elektronus.  Pavyzdžiui, atomas turi vieną 1s orbitalę, kurioje telpa du elektronai.  Panašiai yra su 2s orbitale, taip pat su kiekviena iš trijų 2p orbitalių.  Visos trys 2p orbitalės atome yra vienodos energijos.  Tai galioja ir visoms penkioms 3d orbitalėms ir pan.  Orbitalės, turinčios vienodą energiją, vadinamos išsigimusiomis (angl. degenerate).

Norint tiksliai nusakyti, kokioje orbitalėje yra elektronas, naudojami kvantiniai skaičiai:

  • Orbitalės sluoksnį nusako pagrindinis kvantinis skaičius, n.
    Jis turi sveikųjų skaičių reikšmes n = 1, 2, 3, 4,… ir taip toliau.
    Vieno elektrono sistemose (pvz.: H, He+, Li2+, t.t.) šio skaičiaus visiškai pakanka nusakyti elektrono energijai (tokiu atveju visos kiekvieno sluoksnio orbitalės yra išsigimusios dėl sąveikų su kitų orbitalių elektronais trūkumo, kurios paprastai ir nulemia skirtingas orbitalių energijas).
  • Orbitalės tipą s, p, d ar f (ar g, h, t.t.) nusako kampinio momento (arba orbitinis) kvantinis skaičius, l. Duotame sluoksnyje l gali įgyti nuo 0 iki n-1 reikšmes. Kiekviena l reikšmė atitinka skirtinga raide nurodomą orbitalės tipą:

    l   =

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    s

    p

    d

    f

    g

    h

.

.

.

.

Kai n = 1, vienintelė galima reikšmė l = 0.  Tai 1s orbitalė.
Kai  n = 2, l gali būti 0 arba 1. Tai atitinkamai 2s ir 2p orbitalės.
Kai  n = 3, l turi tris galimas reikšmes 0, 1 arba 2, kurios simbolizuoja 3s, 3p arba 3d orbitales.

  • Trečiasis skaičius nurodantis orbitalę yra magnetinis kvantinis skaičius, ml.
    Jis gali turėti reikšmes priklausomai nuo l skaičiaus: sveikieji skaičiai nuo –l iki +l.
    Skaičius ml suteikia informaciją, kaip orbitalė yra orientuota:

–     s orbitalėms (l = 0): ml = 0  → tik po vieną s orbitalę kiekvienam sluoksniui,

–     p orbitalėms (l = 1): ml = -1, 0, 1  → trys p orbitalės kiekvienam n,

–     d orbitalėms (l = 2): ml = -2, -1, 0, 1, 2  → penkios d orbitalės kiekvienam n,
ir t.t.

Šių trijų kvantinių skaičių n, l ir ml pakanka bet kuriai orbitalei apibūdinti. Tačiau norint pilnai apibūdinti elektroną, reikia ketvirtojo parametro, kuris atsižvelgia į jo sukinio projekciją orbitalėje.  Kiekvienas elektronas turi sukinį, kurio reikšmė yra pastovi, s = ½.  Jo projekciją orbitalėje nusako sukinio kvantinis skaičius, ms, kurio reikšmės ms = + ½ arba ms = – ½.

Elektronus schemiškai priimta vaizduoti rodyklėlėmis, o orbitalę – kvadratiniu langeliu. Dar vienas elektronų ypatumas yra tas, kad toje pačioje erdvės dalyje gali būti ne daugiau kaip 2 elektronai. Jei orbitalėje yra abu elektronai, rodyklės vaizduojamos nukreiptos į priešingas puses, atitinkamai ↑ ir ↓. Taip yra dėl to, kad šie du elektronai skiriasi sukinio kvantiniu skaičiumi. Pavyzdžiui, vandenilio atomo 1s orbitalė schemiškai gali būti pavaizduota taip:

   1s